Архив метки: расходомер

8.3. Основы градуировки и поверки расходомеров

Добавить комментарий

Основы градуировки расходомеров. Между измеряемым расходом Q (М) и показаниями П любого расходомера существует зависимость, ха­рактеризуемая его уравнением измерений (статической характеристикой преобразования). В общем случае коэффициенты, входящие в зги урав­нения, зависят как от конструктивных параметров расходомеров, так и от физико-химических свойств измеряемой среды. В подавляющем боль­шинстве случаев рассчитать с достаточной для практических целей точ­ностью значения этих коэффициентов чисто аналитическим путем невоз­можно. Кроме того, из-за отсутствия полного геометрического подобия элементов эти коэффициенты различны для разных расходомеров одной конструкции и одного типоразмера (исключение составляют лишь стан­дартизованные типы расходомеров переменного перепада давления, для которых геометрическое подобие, а следовательно, и возможность кос­венной градуировки обеспечивается стандартизованной технологией из­готовления и производственного контроля сужающих устройств). Поэто­му большинство существующих расходомеров индивидуально градуиру­ют с помощью описанных выше расходомерных установок.

Целью градуировки является количественное определение зависи­мости между измеряемым расходом и показаниями расходомера и пред-

ставление этой зависимости в виде уравнения, таблицы, графика или оцифрованных в ециницах расхода делений шкалы градуируемого рас* ходомера.

Процесс градуировки состоит в следующем: регулировочным уст­ройством устанавливают определенный расход на установке, затем од­новременно точно измеряют расход на установке и снимают показания градуируемого расходомера. Эту операцию повторяют многократно на различных расходах.

Имея совокупность определенных на установке расходов и соответ­ствующих им показаний расходомера, можно определить искомую градуировочную зависимость и аппроксимировать значения расхода на всю шкалу прибора и весь диапазон измерений.

Поскольку вид градуировочной зависимости, как правило, известен, он характеризуется уравнением измерений расходомера; необходимые для количественной оценки и аппроксимации расчеты проводят спосо­бом наименьших квадратов.

Число расходов, на которых градуируют расходомер, обычно выби­рают равным 10 (через каждые 10% верхнего предела измерений расхо­домера) . В этом случае предельная погрешность полученной градуиро­вочной зависимости

где п — число неизвестных коэффициентов, которые определялись при градуировке; бу — погрешность градуировочной установки, оцененная при ее метрологической аттестации.

Для индивидуально градуируемых приборов (каковыми являются расходомеры) процедура градуировки (нахождение числа градуировоч-ных точек, их номинальных значений, числа измерений на каждой точке, характеристик средств градуировки) должна регламентироваться в нор­мативно-технической документации на эти приборы.

Основы поверки расходомеров. Существуют два технологических процесса поверки расходомеров: поверка на образцовых расходомерных установках и поэлементная поверка.

На образцовых расходомерных установках осуществляется поверка индивидуально градуируемых расходомеров. Процесс поверки при этом сводится к сравнению расхода Qa, измереннного с помощью установки, с показаниями расходомера (при том же расходе) Qp, определенными по шкале прибора или по его градуировочной зависимости/(Л).

Если значение разности (Q— бд) на всех поверяемых точках (пове­рочных значениях расхода) не превосходит определенного нормирован­ного классом точности или предельной относительной погрешностью рас­ходомера значения, результаты поверки считают положительными, а при­бор — пригодным для использования. В противном случае, прибор необ­ходимо переградуировать.

Процедура и методика проведения поверочных операций (определе­ние числа и значения поверяемых точек, числа измерений на каждой точ-

ке, точности средств поверки и др.) определяются поверочной схемой, точностью поверяемого расходомера, допустимыми вероятностями бра­ка поверки (вероятностью забраковать заведомо годный прибор и ве­роятностью пропустить негодный прибор) и регламентируются в соот­ветствующей нормативно-технической документации.

Поэлементный способ применяют при поверке расходомеров пере­менного перепада давления. При этом методе образцовые расходомер-ные установки не нужны; сужающее устройство и дифманометр поверя­ют отдельно.

При поверке сужающего устройства необходимо:

проверить правильность расчета сужающего устройства

убедившись в правильности расчета, измерить диаметр сужающего устройства. Диаметр цилиндрической части отверстия диафрагмы изме­ряют не менее, чем в четырех диаметральных направлениях, а сопла и со­пла Вентури — в двух поперечных сечениях и не менее, чем в четырех даиметральных направлениях. Погрешность измерений не должна пре­вышать 1/3 допуска на диаметр;

проверить соответствие действительного (измеренного) диаметра су­жающего устройства расчетному;

установить нормальное техническое состояние сужающего устройст­ва, т. е. проверить остроту входной кромки диафрагмы или геометрию профильной части отверстия сопла, плоскостность входного торца и чис­тоту поверхностей сужающего устройства и установить отсутствие за­усенцев и зазубрин на кромках входного отверстия.

Для поверки дифманометров используют различные образцовые манометрические устройства и установки,

Контрольный вопрос № 16

На весовой расходомерной установке поверяли электро­магнитный расходомер. Поверку проводили на воде. При этом было принято, что плотность воды постояннаиравнаО,9997г/см’. По результатам поверки расходомер был забракован, так как показания установки превышали показания прибора на недо­пустимо большое значение. После поверки было обнаружено, что вода на установке в процессе опыта сильно насыщалась воз­духом.

Необходимо ли повторно поверять прибор- или можно оставить в силе выводы о его метрологической негодности?

Если Вы решите, что необходимо повторно поверить расхо­домер, загляните на с. 228, если же Вы решите, что в этом нет необходимости — см. с.  237.

7.14. Измерение переменных расходов

Добавить комментарий

В практике измерения переменных расходов приходится иметь дело с двумя наиболее типичными измерительными задачами:

измерение мгновенного значения расхода, что характерно, для систем автоматического регулирования технологическими процессами, управле­ния работой энергетических установок или измерений в условиях суще­ственного систематического „тренда" (монотонного возрастания или уменьшения) расхода;

измерение среднего (осредненного за достаточно большой промежу­ток времени) расхода, что характерно для систем учета или измерений пульсирующих относительно какого-либо среднего значения расходов.

Качественное (обеспечивающее приемлемую точность измерений) решение каждой из этих задач достигается правильным выбором динами­ческих характеристик применяемых расходомеров или умением оценить дополнительную динамическую погрешность при известных динамичес­ких характеристиках расходомеров.

Наиболее полно динамические свойства любой измерительной систе­мы (ее инерционность, обусловливающую запаздывание и искажение вы­ходного сигнала относительно входного) описываются переходной ха­рактеристикой — зависимостью выходного сигнала от изменяющегося во времени входного при заданных параметрах измерительной системы.

В расходоизмерительной практике наиболее часто приходится иметь дело с двумя классами приборов, отличающихся видом переходной ха­рактеристики, а следовательно, и обобщенными динамическими свойст­вами. К первому классу относятся расходомеры, представляющие собой инерционное звено первого порядка, переходная характеристика кото­рых описывается линейным дифференциальным уравнением первой сте­пени

^                                             (7-67)

где у — выходной сигнал (показания) расходомера, выраженный в еди­ницах входного сигнала (расхода) Q (t); Т — постоянная времени расхо­домера, с.

Величина Г характеризует инерционное запаздывание выходного сиг­нала и определяется следующим образом. Если на вход прибора подать скачкообразный импульс расхода AQ, то в соответствии с переходной ха­рактеристикой (7.67) изменение выходного сигнала Ду будет описывать­ся уравнением

Ду = Де(1-<Г*/г).                    (7.68)

Из этого уравнения следует, что полное соответствие выходного сиг­нала действительному значению расхода (при ТФО) наступит лишь при t ~ °°, т. е. в связи с инерционностью расходомера переходный процесс (процесс установления действительного значения выходного сигнала) длится бесконечно долго.

При t = Т, как следует из формулы (7.68), Аут
= 0,632Ag. Следова­тельно, постоянная времени Т соответствует времени, в течение которого изменение выходного сигнала достигает значения 0,632 от полного скач­кообразного импульса входного сигнала.

Напомним еще раз, что значения выходного сигнала при этом долж­ны быть выражены’ (через коэффициент преобразования или по имено­ванной шкале) в единицах входного.       

К расходомерам, переходная характеристика которых описывается линейным дифференциальным уравнением первой степени вида (7.67), относят, например, турбинные, тепловые и гидродинамические. Естест­венно, такое „отнесение" носит приближенный характер, однако сущест­венно облегчает практические расчеты динамических погрешностей рас­ходомеров.

Так, решение уравнения (7.67) для случая изменяющегося с посто­янной скоростью а расхода (Q = at) имеет вид

у = а(т-Т) +аТе»т.                   (7.69)

Следовательно, абсолютная динамическая погрешность измерения расхода в этом случае

Ау = у — at = aT(e-t/T — 1),         (7.70)

а максимальное ее значение

Решение уравнения (7.67) для случая пульсирующего (относительно среднего значения Qcp) с амплитудой В и частотой со расхода (Q = Qcp + + Bsincot) имеет вид

 e),                      (7.71)

где -у =               —; е = arctg — cot.

V и,2 ГJ + 1

Следовательно, относительная динамическая погрешность измерения мгновенных значений пульсирующего расхода приборами, представляю­щими собой инерционное звено первого порядка

6 v =—————— [7 sin (cjf + е) — sin ш].   (7.72)

2(е   + вО

»,wv * -^r- ‘ —-~-^г •                         (7-73)

Максимальное значение этой погрешности J’max

И наконец, на основании формулы (7.71) относительная динамичес­кая погрешность измерения средних (осредненных за время То) значе­ний пульсирующего расхода

 В

7.14. Измерение переменных расходовФормулы (7.70), (7.73) и (7.74) позволяют определить расчетное значение постоянной времени Т по заданным допускаемым значениям динамических погрешностей (при известных а, В, со к Qcp) или оценить

эти погрешности при известных расчетно или экспериментально опреде­ленных) значениях Г.

Величина Т зависит от характеристик (массы, геометрических разме­ров, моментов инерции и других) подвижных элементов и линий связи измерительных преобразователей расходомеров.

Так, для турбинных расходомеров с аксиальным ротором постоян­ная времени определяется выражением

Г=-^<р’^-+р).                              (7.75)

где / — длина лопасти ротора; S — площадь живого сечения потока в зоне ротора; р, р — плотности измеряемой среды и материала ротора соответ­ственно; /р, /ж — моменты инерции плоского сечения ротора и сечения, заполненного жидкостью, соответственно.

Как следует из формулы (7.75), в общем случае Т зависит не только от конструктивных параметров измерительных преобразователей, но и от значений входного сигнала Q.

Переходная характеристика расходомеров второго класса (к кото­рым относят расходомеры переменного и постоянного перепада давле­ний) описывается линейным дифференциальным уравнением второго по­рядка

Tl^-^T3^-+y = Q(t),                              (7.76)

где Тс характеризует время или круговой период свободных колебаний подвижной системы прибора, а постоянная времени Т3 — время запазды­вания прибора.

Отношение (3 = TJ2TC называется степенью успокоения или демпфи­рования прибора.

Выводы, аналогичные приведенным выше (для инерционных звеньев первого порядка), дают следующие выражения для оценки относитель­ных динамических погрешностей расходомеров данного класса:

5′ = ^3_(e-w_l),                    (7.77)

Г3
+ V Tl — Т\ ‘        Q

где о =—————-   — при измерении мгновенных значении мо-

2Г2

нотонно изменяющегося с постоянной скоростью а расхода;

«; = ^(«-0,                              (7-78)

где а = ——^z====r———— ‘при измерении мгновенных значе-

 {a[cose’ — cos(c;7ro + e’) + coscjJo — l} ,      (7.79)

ний пульсирующего с амплитудой В и частотой со расхода;
В__

збср

где е = arctg— ——  — при измерении осредне,щодх з’а^ремя То

значений пульсирующего расхода.   *

Как следует из приведенных формул, динамические погрешности расходомеров при известном виде переходной характеристики целиком определяются их постоянными времени (Т — для линейных переходных характеристик первого порядка, Тс и Т3 — для линейных переходных характеристик второго порядка). Чем меньше Т; Тс и Т3, тем лучше инерционные свойства прибора и тем меньше динамические погрешности измерения параметров переменных расходов. Обычно Тс в 3—4 раза меньше постоянной времени запаздывания Т3 (Т), которая у турбинных и тепловых расходомеров составляет 0,005—0,1 с, у ротаметров — 0,5—3 с (в зависимости от массы поплавка, геометрических параметров поплав­ка и трубки), у электромагнитных и ультразвуковых расходомеров — 0,0001—0,001 с, у расходомеров с сужающими устройствами (в зависи­мости от типа и конструктивных особенностей используемых дифмано-метров, длин и диаметров соединительных трубок, плотности заполняю­щих систему дифманометров жидкостей) — 0,5—10 с.

Следовательно, расходомеры переменного перепада давлений в об­щем случае являются наиболее (среди других типов расходомеров) инерционными приборами и наименее пригодны для измерения парамет­ров пербменных расходов. Данное обстоятельство усугубляется и нали­чием у этих расходомеров дополнительной динамической погрешности, обусловленной квадратичной зависимостью расхода и перепада давлений. Действительно, квадратный корень из измеренного дифманометром среднего перепада давлений больше среднего значения корня из перепа­да, характеризующего осредненный за время То расход, т. е.

7.14. Измерение переменных расходов 4- f °<р> -ft) * > -#■

Вследствие этого при измерении средних значений пульсирующего с амплитудой В расхода будет возникать дополнительная погрешность

7.14. Измерение переменных расходов8к = (V 1 + —Щг~ *) * 100%-             (7-8°)

И тем не менее в практике довольно часто встречаются случаи изме­рения пульсирующих расходов расходомерами переменного перепада давлений. Наилучшим способом уменьшения существенных динамичес­ких погрешностей при этом является сглаживание пульсаций специаль­ными фильтрами-успокоителями. Отметим, что этот способ пригоден и Для уменьшения динамических погрешностей расходомеров любых ти­пов. Пульсация сглаживается тем сильнее, чем больше объем системы V (включая и емкость фильтра-успокоителя) между источником пульса­ций и сужающим устройством и чем больше падение давления на этом участке, соответствующее среднему расходу Qcp.

Для оценки сглаживающего эффекта служит безразмерный критерий успокоения пульсаций, предложенный П.П. Кремлевским

к(7>81) К СсрРср

или                         К=4пк,

где Те. — показатель адиабаты измеряемой среды (в случае измерения пульсирующих расходов газов или пара).

Необходимая величина к (или Л)»обеспечивающая приемлемые зна­чения динамических погрешностей расходомеров переменного перепада давлений, зависит от характера пульсаций. Для одноцилиндровых гид­равлических машин характер пульсаций определяется коэффициентом подачи S, равным отношению времени ts
движения потока за один пери­од ко времени т0
полного периода, т. е. S — т$/т0 ■

Для многоцилиндровых гидравлических машин коэффициент нерав­номерности расхода 0 равен отношению минимального мгновенного рас­хода бпшг к максимальному мгновенному расходу Qmax-

7.13. Измерение расхода многофазных сред

Добавить комментарий

В расходоизмерительной практике довольно часто встречаются зада­чи, связанные с измерением расхода двух- или трехфазных сред. К наибо-

лее типичным промышленным средам относятся влажный пар, нефтега­зовые смеси, пульпы, пылеугольное топливо (смесь воздуха с угольным порошком), водогрунтовые смеси, низкокипящие криогенные вещества, поток которых в отдельных случаях представляет смесь жидкой, газооб­разной и твердой (шуги) фаз.

Трудности обеспечения приемлемой (в некоторых случаях довольно высокой, характеризуемой допускаемой погрешностью 2—3 %) точности измерения расхода таких сред обусловливаются множеством физических и технических причин, главные из которых — различие скоростей течения фаз через первичные преобразователи применяемых расходомеров (на­пример, сужающие устройства); неоднородность распределения фаз по сечению потока; значительные флуктуации скоростей, давлений и кон­центраций фаз.

Основными параметрами многофазных сред, определяющими отли­чительные особенности их движения по трубам и степень влияния указан­ных выше причин на точность измерения расхода, являются массовая концентрация фаз в потоке и их плотность. Вследствие этого, как прави­ло, приходится измерять расход таких сред в единицах массы (массовый расход) или объемный расход и плотности, фаз, что также вносит допол­нительные технические трудности.

Наличие значительных флуктуации параметров многофазных сред при их течении по трубам и каналам затрудняет, а в ряде случаев делает невозможным, измерение мгновенных или осредненных за малый проме­жуток времени значений расхода. Так, при движении газожидкостных смесей по трубам при некоторых концентрациях (относительном содер­жании) жидкой и газообразной фаз и определенных скоростях поток смеси приобретает „пробковый" характер (смесь движется в виде после­довательных „пробок" жидкости и газа, занимающих все сечение трубо­провода, — то только жидкость, то только газ). Естественно, при этом понятие мгновенного расхода смеси теряет смысл.

Вследствие отмеченного на практике в большинстве случаев измеря­ют средний (осредненный за достаточно большой промежуток времени — не менее 40—60 с) расход многофазных потоков.

Среди множества измерительных задач, возникающих в практике из­мерения расхода многофазных сред, можно выделить две наиболее ти­пичные:

1) измерение общего (суммарного) расхода среды (смеси);

2) измерение расхода отдельных компонентов (фаз) смеси, напри­
мер, сухой части влажного пара или твердой фазы во взвесенесущем по­
токе.

Каждая из этих задач решается своими специфическими технически­ми способами и приемами.

Так, для измерения общего (суммарного) расхода Мс диспергиро­ванных двухфазных сред (сухой пар + влага; воздух + угольная пыль и т. п.) наиболее распространены расходомеры с сужающими устройствами.

Как показали результаты теоретических и экспериментальных иссле­дований, рабочая формула измерений при этом (связь между расходом и перепадом давлений Ар на сужающем устройстве) имеет вид

Мс
= aePFo \f~2pc^F-                (7.57)

Данная формула отличается от рассмотренных ранее уравнений мето­да переменного перепада давлений тем, что в нее входит коэффициент /3, зависящий в общем случае от массовой концентрации 7j тяжелой фазы (массовой доли тяжелой фазы в смеси), плотностей легкой рл и тяжелой рт фаз, геометрии сужающего устройства и скоростей течения фаз в при­емном преобразователе. Кроме того, сомножителем перед Ар в данную формулу входит плотность смеси

рс =———- !*_^— .                       (7.58)

.      14(1)

Если скорости легкой и тяжелой фаз при течении смеси через прием­ный преобразователь несущественно отличаются друг от друга (что ха­рактерно, например, для стандартных диафрагм, у которых участок су­жения при достаточно больших т очень короткий и вследствие этого час­тицы тяжелой фазы на этом участке почти не ускоряются), то в ограни­ченной области значений т\ [г\ < 0,2 — для влажного пара: 7? < 0,35 — для смеси воздуха с угольным порошком) коэффициент

Ъ = -^=Г-                         (7-59)

V   1-7J

Во многих случаях отношение рл1рт
много меньше 1. Так,для влаж­ного пара рл/рт = 0,001—0,005; для пылеугольного топлива это отноше­ние еще меньше.

Тогда на основании формулы (7.58)

Рс *     /"                                 (7.60)

1 —v

и уравнение измерений (7.57) с учетом выражений (7.59), (7.60) преоб­разуется к виду

Мс
(1 — т?) = aeF0 V 2рлДр ‘.        (7.61)

Как следует из этой формулы, перепад давлений на диафрагме (при сделанных допущениях и в ограниченной области значений 7?) характери­зует лишь массовый расход Мл =Л/С(1 — 7?) легкой фазы. Этот вывод, подтвержденный экспериментально, объясняется тем, что при принятом равенстве скоростей легкой и тяжелой фаз энергия на ускорение тяже­лой фазы не затрачивается.

Таким образом, при использовании стандартной диафрагмы расход легкой фазы (сухой части влажного пара или воздуха для пылеугольно­го топлива) может быть определен по уравнению

7.13. Измерение расхода многофазных средМп
= aeF0 V 2рлДрд ,                (7.62)

где Дрд — измеренный перепад давлений при течении смеси; коэффици­ент расхода а принимается равным табличному значению.

При известной массовой концентрации тяжелой фазы щ полный рас­ход смеси

В случае, если тз неизвестна или изменяется в процессе измерений,
приходится определять ее по результатам измерения перепада давле­
ний на дополнительно устанавливаемых в поток смеси трубе или сопле
Вентури — Дрв. Отношение (или разность) Дрв и Дрд характеризует
часть энергии потока, затрачиваемой на ускорение твердой фазы при те­
чении смеси через трубу или сопло Вентури (напомним, что при течении
смеси через диафрагму ускорение твердой фазы практически не наблю­
дается) . Следовательно, данное отношение будет пропорционально содер­
жанию твердой фазы 7J.                

Для расчетов тз используют экспериментально-апробированную за-, висимость

&>   1 _„   = 77;         *>              (7.65)

где j30 — коэффициент, зависящий от свойств твердой фазы и геометрии применяемых сужающих устройств и определяемый путем опытной гра-. дуировки комплекта расходомеров.

Тогда в соответствии с формулой (7.65)

 ^,        ‘                  (7-66)

Таким образом, при измерениях расхода методом переменного пере­пада давлений двухфазных сред с неизвестной массовой концентрацией твердой фазы измеряют перепады давлений на двух последовательно уста­новленных сужающих устройствах (диафрагме и сопле или трубе Венту­ри), по формулам (7.61) и (7.66) рассчитывают расход легкой фазы и 7?, а затем по формулам (7.63) и (7.64) — общий расход смеси и расход твердой фазы. Расчетные операции при этом могут выполняться вычисли­тельными устройствами, сблокированными со вторичными преобразова­телями расходомеров.

Еще раз подчеркнем, что все изложенное справедливо для хорошо диспергированных двухфазных потоков с равномерной концентрацией фаз и в ограниченной области значений т].

Расходомеры переменного перепада давлений довольно часто приме­няют и для измерения расхода различных пульп и водогрунтовых смесей. Характерной особенностью данных сред является то, что плотности их легкой и тяжелой фаз мало отличаются друг от друга. В этом случае сум-

марныи расход смеси определяют по уравнению (7.57), в котором ко­эффициент (3 принимают равным единице.

Расход смесей твердой и жидкой (или газообразной) фаз измеряют комбинированными методами, основанными на определении общего объемного расхода смеси и содержания в ней твердой фазы. Объемный расход смеси измеряют при этом с помощью электромагнитных, ультра­звуковых, ядерно-магнитных и расходомеров других типов, приемные преобразователи которых не имеют выступающих внутрь потока эле­ментов. Расходомеры устанавливают на вертикальных участках трубо­провода для предотвращения скапливания более тяжелой фазы в нижней части сечения трубы.

Содержание твердой фазы определяют по показаниям радиоизотоп­ных концентратомеров, радиоактивных или компенсационных весовых плотномеров. Наибольшее применение находят весовые плотномеры, представляющие собой участок трубопровода с гибкими сочленениями, подвешенный на ленточных опорах. При изменении массы смеси, проте­кающей по данному участку, он перемещается в вертикальном направле­нии вместе с плунжером индуктивной катушки. Перемещение плунжера вызывает сигнал рассогласования, приводящий во вращение электро­двигатель. При этом изменяется натяжение уравновешивающей пружи­ны, что возвращает участок в исходное положение. Угол поворота элект­родвигателя, фиксируемый ферродинамическими преобразователями, является мерой плотности протекающего вещества..

Компенсационные весовые плотномеры в комплекте с электромаг­нитными расходомерами получили преимущественное применение для измерения расхода твердого топлива (угля, торфа) при его гидротранс­порте-

Расход пульп, сыпучих материалов, нефтегазовых смесей измеряют и массовыми расходомерами, в основном — кориолисовыми. Предпоч­тительное применение этих расходомеров объясняется тем, что измеряе­мая среда в приемном преобразователе кориолисовых расходомеров (см. рис. 78) движется перпендикулярно к оси вращения потока и вслед­ствие этого „кориолисовы" усилие и момент не зависят от распределе­ния фаз.

В заключение отметим, что совершенствование техники измерений расхода многофазных сред сдерживается отсутствием высокоточных об­разцовых стендов и установок, способных воспроизводить все характер­ные особенности течения таких сред (структуру потока, геометрию и распределение фаз). И хотя кое-какие сдвиги в этой области определен­но наметились, работы здесь „непочатый край".

Одной из перспективных отечественных разработок, восполняющих этот пробел, является созданная во Всесоюзном научно-исследователь-аком институте расходометрии (ВНИИР) исходная образцовая установ­ка, реализующая принцип смешения потоков жидкости и газа для вос­произведения и измерения параметров газожидкостных потоков (рис. 85). Установка работает следующим образом. Жидкость (вода) из резервуара 10 насосом 13 через систему стабилизации напора, состоящую из бака 8,

7.13. Измерение расхода многофазных сред

Рис. 85. Принципиальная схема образцовой газожидкостной установки

где поддерживается постоянный уровень жидкости, и воздушного реси­вера 7, подается в смеситель /. Расход жидкости регулируется задвиж­кой 11 и измеряется турбинным расходомером 12. Одновременно с этим компрессором 14 через ресивер 6, узел стабилизации расхода 5 и эжек­тор 2 в смеситель подается воздух. Расход воздуха регулируется задвиж­кой 3 и измеряется турбинным расходомером 4. Из смесителя газожид­костная смесь подается в испытательный участок, на котором устанавли­вается градуируемый или поверяемый расходомер 9, и затем сбрасывает­ся в резервуар 10, где она сепарируется (разделяется на газ и жидкость). Давление и температуру смеси контролируют при помощи измеритель­ных преобразователей, обозначенных на схемер и t соответственно.

Кроме того, для измерения действительной расходной концентрации и идентификации различных режимов течения смеси (дисперсного, разде­ленного, пробкового) установка снабжена емкостным измерителем ее диэлектрической проницаемости.

Метрологические исследования и аттестация установки показали, что осуществляя рассмотренный принцип смешения и используя для раздель­ных измерений расхода жидкости и газа индивидуально аттестованные турбинные расходомеры, возможно обеспечить воспроизведение и изме­рение расхода газожидкостных потоков с погрешностью, не превышаю­щей 0,8—1,С

7.11. Приборы для измерения расхода в единицах массы (массовые расходомеры)

Добавить комментарий

В системах автоматического регулирования теплоэнергетических установок, в ракетной и авиационной технике, в различных химических процессах массовый расход {М) является основным физическим парамет­ром, определяющим оптимальные режимы работы объектов и качество процессов. В связи с этим в последнее время у нас в стране и за рубежом интенсивно разрабатываются и внедряются различные приборы для изме­рения массового расхода. Развитие этой области расходометрии идет по трем направлениям. Во-первых, объемные расходомеры (переменного пе­репада давления, электромагнитные, турбинные и пр.) снабжаются соот­ветствующими датчиками плотности и корректирующими схемами; во-вторых, создаются приборы, способные непосредственно измерять прямы­ми методами массовый расход благодаря особенностям своего принципи­ального устройства: в-третьих, находят применение комбинированные расходомеры, измеряющие массовый расход косвенными методами пу­тем автоматической обработки результатов прямых измерений связан­ных с ним параметров.

Контрольный вопрос № 14

На показания какого типа расходомеров — ультразвуковых или ЯМР-расходомеров- изменения вязкости измеряемой среды оказывают большее влияние?

Если Вы решите, что на показания ультразвуковых расходо­меров — см. с. 182,   если на показания ЯМР-расходомеров — см. с. 1S6. К контрольному вопросу №13

Вы неправильно ответили на вопрос.

Разберитесь, что происходит с потоком измеряемой среды при ее течении через турбинный датчик, и как „закрутка" пото­ка влияет на показания турбинных расходомеров.

Несмотря на многообразие предложенных принципиальных схем и конструктивных решений, массовые расходомеры прямого действия можно отнести к двум основным видам: инерционным и тепловым. Принцип действия инерционных расходомеров основан на том, что потоку измеряемого вещества сообщается дополнительное движение, чтобы создать в потоке инерционные эффекты, по которым судят о зна­чении массового расхода. В зависимости от того, какое именно дополни­тельное движение сообщается потоку (при помощи вращающегося или колеблющегося звена), на чувствительном элементе прибора возникает или усилие Кориолиса, или гироскопический, или инерционный момент. Принцип действия тепловых расходомеров основан на непрерывном нагреве потока (калориметрические расходомеры) или специального элемента, помещенного в поток (термоанемометры). В первом случае массовый расход определяется количеством тепла, обеспечивающим определенную разность температур потока до и после нагревателя; во втором — количеством тепла, теряемым нагретым или непрерывно на­греваемым телом, помещенным в поток измеряемого вещества.

Массовые турборасходомеры; В турбораеходомерах, реализующих инерционный принцип измерений, закручивай? поток относительно век­тора его актуальной (продольной) скорости.

Момент, необходимый для обеспечения устойчивого вращения по­тока с угловой скоростью <о, определяется (без учета сил гидравличес­кого трения) соотношением

MBp = J-/<o,                            (7.36)

где/ — момент инерции среды.

Учитывая, что dJ = R^drn (RK — радиус инерции; т — масса вра­
щающейся среды) и dm/dt =M (M — массовый расход среды), из выра­
жения (7.36) получим общее для всех турборасходомеров уравнение
для определениям     мвр

7.11. Приборы для измерения расхода в единицах массы (массовые расходомеры)При торможении предварительно закрученного потока на тормозя­щее устройство будет действовать момент, соответствующий выражению (7.29), и уравнение приборов, использующих эффект торможения закру­ченного потока, не будет отличаться от выражения (7.37).

Существует большое число различных модификаций турбинных дат­чиков массового расхода, отличающихся способами вращения потока, измеренияМвр и значениямиRH.

Принципиальные схемы датчиков, получивших преимущественное распространение, приведены на рис. 77.

Основным источником методических погрешностей турборасходоме­ров является непостоянство сил трения в их гидравлическом тракте, об­условленное изменениями вязкости, температуры и других параметров измеряемой среды.

Погрешность измерения массового расхода турборасходомерами мо­жет быть доведена до ± (0,5—1,0) % верхнего предела измерений. Повы­шение точности лимитируется трудностями поддержания постоянного числа оборотов ведущей (закручивающей поток) турбинки, нестабиль­ностью характеристик упругих элементов, воспринимающих действие инерционного звена, и изменением КПД приводного двигатедя при изме­нении нагрузки (расхода). Кроме того, на показания турборасходоме­ров (как уже отмечалось выше) влияет изменение параметров измеря­емой среды, а их надежность ограничивается наличием изнашивающихся опор.

Кориолисовые и гироскопические расходомеры. В этих расходоме­рах закручивание и торможение потока производится в помощью враща­ющихся элементов трубопровода сложной конфигурации.

Кориолисовый расходомер (рис. 78) состоит из двух Т-образных участков 2 и б трубопровода, сочлененных при помощи гибких соедине­ний 1 и приводимых во вращение с постоянной угловой скоростью w специальным приводным механизмом. Прибор размещен в корпусе 5 (показан условно). При протекании вещества со скоростью v через вра­щающийся в уплотнительных муфтах 4 элемент трубопровода в потоке возникает направленное против вращения ускорение Кориолиг-а, равное

-Р’кт

7.11. Приборы для измерения расхода в единицах массы (массовые расходомеры)
7.11. Приборы для измерения расхода в единицах массы (массовые расходомеры)
7.11. Приборы для измерения расхода в единицах массы (массовые расходомеры)

 

7.11. Приборы для измерения расхода в единицах массы (массовые расходомеры)

 

7.11. Приборы для измерения расхода в единицах массы (массовые расходомеры)

Рис. 77. Принципиальные схемы наиболее распро­страненных датчиков:

а — измеряется мощность, необходимая для за­кручивания потока; б — измеряется момент вра­щения по углу поворота упругой муфты; в — из­меряется момент вращения заторможенной крыль­чатки по углу ее поворота при упругом зацепле­нии; г — измеряется разность углов поворота двух крыльчаток, упруго закрепленных на валу двигателя; д — измеряется относительный угол поворота двух крыльчаток с разными углами по­ворота лопастей; 1 — двигатель; 2 — датчик мощ­ности; 3 — прямолопастная крыльчатка; 4 — уп­ругое соединение валов; 5 — импульсный датчик; 6 — датчик угла поворота; 7 — радиальная крыль­чатка; 8 — спиральная крыльчатка

а — 7ш. Вследствие этого в каждой ветви Т-образного участка создается усилие RK = —m2cjv = —2Mcj(R2
-Ri) и на всем вращающемся участке возникает момент

 = 2R

R-,

 (Rl-R i

(7.38)

В результате действия этого момента Г-образные участки, деформи­руя гибкое соединение /, поворачиваются относительно друг друга на не­который угол а. Угол поворота а преобразуется в электрический сигнал при помощи торсионного датчика 3. Значение этого сигнала пропорцио­нально МК, а следовательно, при постоянной угловой скорости вращения и массовому расходу вещества.

Гироскопический расходомер (рис. 79) состоит из эксцентрично рас­положенных элементов трубопровода сложной конфигурации. Устрой-

7.11. Приборы для измерения расхода в единицах массы (массовые расходомеры)

7.11. Приборы для измерения расхода в единицах массы (массовые расходомеры)

 

Рис. 78. Схема кориолисова расходо­мера

Рис. 79. Схема гироскопического рас­ходомера

ство приводится во вращение относительно оси АА с постоянной угловой скоростью. Возникающий при этом гироскопический момент Мт стре­мится повернуть ротор относительно оси ВВ. Величина

Мт
= 2Мы (R2 — R1) Ъ               (7.39)

пропорциональна массовому расходу вещества и преобразуется в соот­ветствующий сигнал с помощью датчиков деформации (например, тензо-метрических).

Относительно невысокая точность кориолисовых и гироскопических расходомеров, характеризуемая-приведенной погрешностью 1—2 %, объ­ясняется большими температурными влияниями на жесткость упругих элементов, их гистерезисом и последействием, а также трудностями под­держания постоянным числа оборотов приводного механизма, особенно при колебаниях расхода. Расходомеры данного типа громоздки, сложны в эксплуатации, требуют специальных вращающихся уплотнительных устройств и большой мощности приводного механизма.

Два последних недостатка отсутствуют у вибрационных расходоме­ров, у которых вращательное движение трубопровода заменяется коле­бательным. Однако точность вибрационных расходомеров получается меньшей.

Преимуществом кориолисовых и гироскопических расходомеров является полная независимость их показаний от вязкости измеряемой среды. Поэтому их целесообразно применять лишь для измерения массо­вого расхода веществ с большим диапазоном изменения вязкости.

Калориметрические и термоанемометрические расходомеры. Бели пренебречь теплом, отдаваемым потоком через стенки трубопровода в окружающую среду, то уравнение теплового баланса Между расходом тепла, потребляемым нагревателем, и теплом, сообщенным потоку, при­нимает вид

qt = k0M.CpAT,          …..           (7.40)

где Аго — поправочный множитель на неравномерность распределения температур по сечению трубопровода; ср — теплоемкость (для газа при постоянном давлении) при температуре 7\ + Т2/2; Т\, Т2 — температу­ры потока до и после нагревателя; AT — Т2 ~ 7\,

Тепло к потоку в калориметрических расходомерах подводится обычно электронагревателями, для которых

«, = 0,24/**.                           (7*0

где / — сила тока; R — сопротивление нагревателя.

На основании выражений (7.40) и (7.41) получим уравнение измере­ний (статическую характеристику преобразования) калориметрических расходомеров

 °24IR                                                            (7.42)

коср
AT

Возможны и существуют два способа измерения массового расхода в соответствии с выражением (7.42) :

расход определяют по значению мощности, потребляемой нагревате­лем и обеспечивающей постоянную разность температур AT;

расход определяют по разности температур AT при неизменной мощ­ности, подводимой к нагревателю.

В первом случае расходомеры работают как регуляторы температу­ры нагрева потока, у которых измерительным и регулирующим элемен­том является уравновешенный мост с термометрами сопротивления до и после нагревателя. При изменении разности температур мост выходит из равновесия и включает устройство, которое изменяет регулировочное сопротивление до тех пор, пока не восстановится заданная степень нагре­ва. Массовый расход при этом определяют по показаниям ваттметра, включенного в цепь нагревателя.

Датчики калориметрических расходомеров второго типа (рис. 80) состоят из двух последовательно соединенных термометров сопротив­ления 1 и 3, устанавливаемых до и после нагревателя 2. Последователь­ное соединение термометров обеспечивает равенство токов в их цепях, что позволяет градуировать их непосредственно по разности температур. Кроме термометров сопротивления используют также термисторы и термопары. Термометры сопротивления обладают тем преимуществом, что их можно выполнять в виде равномерной сетки,.перекрывающей все сечения потока, и таким образом измерять среднюю по сечению темпера­туру.

7.11. Приборы для измерения расхода в единицах массы (массовые расходомеры)

Калориметрические расходомеры обладают достаточно высокой точ­ностью, оцениваемой (в условиях ин­дивидуальной градуировки) приведен­ной погрешностью ± (0,5—1,0) %, боль­шим диапазоном измерений (10:1 и выше), малой инерционностью.

Недостатками их являются слож­ность   измерительных  схем  и неста-

Рис. 80. Схема калориметрическо-     бильность характеристик, связанная с
го расходомера   коррозией приемных устройств и осаж-

дением на них различных частиц, пере­носимых потоком.

Дачные, приборы можно приме­нять для измерения массового расхода как жидкостей, так и газов. Но в настоящее время ими измеряют, главным образом, малые (в трубках диаметром 2-3 мм) и средние расходы чистых газов.

Статическая характеристика преобразования (уравнение измере­ний) термоанемометров определяется известным уравнением теплофи­зики

qT = 0,24/2/? = (Гн — Тс) (X + V 2«v*   y/’vj^ ),   (7.43)

где Ти — температура тела; Тс — температура потока измеряемой среды; X — теплопроводность среды; с„ — теплоемкость среды при постоянном объеме; d — диаметр нагреваемого тела.

Термоанемометры измеряют „массовую" скорость vp потока в месте установки нагреваемого тела.

В последние годы появились бесконтактные термоанемометрические расходомеры, в которых роль термоэлемента играет изолированный участок трубопровода.

Как видно из уравнения (7.43), „массовую" скорость при помощи термоанемометра можно измерять двумя способами. В одном случае ток, нагревающий приемник, поддерживают постоянным, и скорость оп­ределяют по результатам измерения его температуры. В другом случае ток нагрева регулируют таким образом, чтобы температура приемника оставалась постоянной, а скорость определяют по значению питающего тока. В практике встречаются оба этих способа измерений.

Приемник термоанемометра (термонить) обычно выполняют из пла­тиновой проволоки диаметром 0,005—0,3 мм. Температура термонити должна быть по возможности высокой, так как при ее увеличении по­вышается чувствительность приемника и уменьшается влияние колеба­ний температуры потока. Однако значительное повышение температуры проволоки может вызвать изменение структуры металла и тем самым „снос" градуировочных кривых прибора.

Основным недостатком термоанемометров является существенное влияние на их показания температуры, давления и различных теплофизи-ческих параметров измеряемой среды.

В связи с очень малыми габаритными размерами приемника (термо­нити) приборы получили преимущественное распространение в лабора-торно-зкспериментальной практике при измерении скоростей в тончай­ших пристенных слоях и пленках жидких и газообразных потоков. До появления оптических (лазерных) методов термоанемометры были единственными приборами, позволяющими проводить такие измерения.

Погрешности термоанемометров до’ настоящего времени полностью не изучены, и точность выполняемых с их помощью измерений не норми­руется.

Комбинированные турбопоршневые расходомеры. Одним из приме­ров, иллюстрирующим возможность комбинированного измерения мас­сового расхода, являются турбопоршневые расходомеры, состоящие иэ турбинного с аксиальной крыльчаткой и поршневого преобразователей. Угловая скорость вращения турбинки пропорциональна объемному рас­ходу среды, протекающей по трубопроводу,

<о = кг Q.                           (7.44)

Поршневой преобразователь воспринимает и передает на регистриру­ющий или показывающий прибор гидродинамическое давление потока, действующее наступицу турбинки и равное

 (7.45)

где ки k2 — коэффициенты пропорциональности, в общем случае завися­щие от числа Рейнольдса и конструктивных параметров преобразовате­лей.

Поделив выражение (7.45) на выражение (7.46). т. е. поделив пока­зания поршневого преобразователя на показания турбинного, получим рабочие уравнения измерений турбопоршневых расходомеров. Так, при измерении массового расхода

-,                               (7.46)

О

при измерении плотности протекающей среды

P=Ap^j,                                 (7.47)

р

Используя формулы (7.46) и (7.47), по результатам измерений угловой скорости и гидродинамического давления при известных (опре­деленных в процессе градуировки приборов) коэффициентах Ам и Ар можно рассчитать значения массового расхода и плотности протекающей среды.

Турбопоршневой расходомер (рис. 81) работает следующим обра­зом. Турбинка 11 жестко закреплена на поршне 8, который может пере­мещаться вдоль оси и вращаться относительно неподвижного цилиндра 9, закрепленного в опоре 10. Все детали прибора помещены в корпусе 2.

J
//

7.11. Приборы для измерения расхода в единицах массы (массовые расходомеры)В цилиндре 9 создается давление, пропорциональное статическому давлению в потоке и гидродина­мическому напору, действующе­му на турбинку 11 и поршень 8 в аксиальном направлении. Это давление по трубке 7, заполнен­ной специальной манометричес­кой жидкостью, передается в од­ну из полостей дифференциаль­ного манометра 5. Во вторую полость дифманометра по труб­ке 4 подается статическое давле­ние,  отбираемое  из кольцевой

Рис. 81. Схема турбопоршневого расходе- камеры 3. Следовательно, диф-
мера                  манометр 5 будет измерять толь-

ко динамическую составляющую давления потока, действующую на поверхность турбинки и выра­жаемую формулой (7.45). Поршневая пара 8-9 имеет микронные зазо­ры, что обеспечивает чисто жидкостное трение в поршневом датчике и весьма малые утечки манометрической жидкости, заполняющей систему дифманометра. Для пополнения утечек в систему введен пресс 6. Угло­вая скорость вращения турбинки измеряется счетным устройством 1. Основными достоинствами турбопоршневых расходомеров явля­ются:

возможность одновременного и комплексного измерения объемно­го, массового расхода и плотности протекающей по трубопроводу среды;

высокая точность измерений, обусловленная объединением в этих приборах двух прецизионных измерительных преобразователей — тур­бинного и поршневого и характеризуемая погрешностями измерений объемного расхода 0,1—0,2 %, массового расхода и плотности 0,3—0,5 %;

отсутствие опор с сухим трением, а следовательно, высокая стабиль­ность и надежность турбопоршневых приборов.

Специфическим недостатком данных расходомеров являются утечки манометрической жидкости в измеряемую среду. Однако эти утечки мо­гут быть сведены к ничтожно малым известными и применяемыми в сис­темах с неуплотненным поршнем конструктивными мероприятиями. При измерении же расхода нефтепродуктов и других жидкостей, кото­рые могут быть использованы в поршневых системах при соответствую­щем подборе материалов поршневых пар в качестве манометрических, этот недостаток вообще не сказывается.

В связи с достаточно высокой точностью и надежностью турбопорш-невые расходомеры используют в настоящее время’ в качестве образцо­вых расходоизмерительных устройств.

Естественно, возможны и другие комбинированные системы для из­мерения массового расхода, например, одновременное использование

сужающего устройства и турбинного датчика и пр. Однако точностные возможности этих систем получаются существенно меньшими.

7.10. Вихревые и гидродинамические расходомеры

Добавить комментарий

Вихревые расходомеры сравнительно новые приборы, применяемые для измерения расхода жидкостей и газов с широким диапазоном изме­нения физико-химических свойств. Принцип действия этих расходоме­ров заключается в создании (с помощью винтообразных шнеков) в пото­ке движущейся по трубопроводу среды устойчивого периферийного вихря. Центральная часть потока (вблизи оси трубопровода) при этом приобретает характер винтового шнура. Если сформированный таким образом поток пустить через расширяющийся насадок, то периферийные вихреобразования теряют устойчивость, а центральный шнур начинает прецессировать (колебаться) относительно геометрической оси насадка с частотой, пропорциональной средней скорости потока, и амплитудой, равной диаметру выходной части насадка. С аналогичной частотой и ам­плитудой, равной скоростному напору pv2, будет изменяться при этом и давление на выходе потока из насадка. Преобразовав с помощью ампли­тудно-частотного датчика (например, струнного) пульсации давления в электрический сигнал и поделив его амплитудное значение на частотное, получим величину, значение которой пропорционально массовому расхо­ду вещества. Для нахождения объемного расхода достаточно измерить частотную составляющую сигнала.

Погрешность вихревых расходомеров при их индивидуальной гра­дуировке на реальной измеряемой среде не превосходит 1,5—2,0 %.

Гидродинамические расходомеры основаны на измерении лобового давления (рп) движущейся среды, действующего на помещенное в поток тело.

На рис. 76 показаны схемы различных типов гидродинамических расходомеров, отличающихся друг от друга формой тела, воспринима­ющего гидродинамическое усилие R = спр ^р/2 if— площадь миделево-го сечения тела — проекции тела на плоскость, перпендикулярную к на­правлению потока) и способом измерения гидродинамического усилия.

Для расходомеров с поворотным крылом (рис. 76, а) и поворотным диском (рис. 76, б) мерой расхода является поворот крыла или диска относительно оси вращения. Уравнение измерений этих приборов, полу­ченное из условия, равенства моментов гидродинамической силы и веса крыла (диска), имеет вид

 JJ2J   y^~;                                (734)

У////////////////////////////////////,

7.10. Вихревые и гидродинамические расходомеры 

7.10. Вихревые и гидродинамические расходомеры

7.10. Вихревые и гидродинамические расходомеры

Рис. 76. Гидродинамические расходомеры

где F — площадь сечения трубопровода; / — площадь наибольшего сече­ния крыла или диска; G — вес крыла или диска; сл — коэффициент ло­бового сопротивления, зависящий от формы и размеров тела обтекания (в данном случае крыла или диска) и чисел Рейнольдса. В расходомере с каплевидным телом обтекания (рис. 76, б) мерой расхода является деформация упругой пружины, а следовательно, и осевое перемещение / тела обтекания. Уравнение измерений этих приборов имеет вид

2с

(7.35)

где с — жесткость пружины.

Иногда и первые два типа гидродинамических расходомеров снабжа­ются упругими элементами в виде пластинчатых или струнных пружин.

Зависимость сл от большого числа изменяющихся и неконтролиру­емых в процессе измерений параметров, нестабильность поля скоростей набегающего потока при перемещении тела обтекания являются источни­ками больших погрешностей этих расходомеров. Вследствие этого ос­новные усилия их разработчиков направлены на отыскание таких форм и габаритных размеров тел обтекания, при которых в достаточно широ­ком диапазоне изменений расхода обеспечивается автомодельность (по­стоянство) сл. Наиболее полно этим требованиям отвечают крыловид­ные профили с перекрытием потока порядка 0,5—0,6 и тела обтекания, выполненные в виде концентрических окружностей с перемычками, на­ружный радиус которых составляет 0,754 радиуса проточной части тру­бопровода.

Достоинствами гидродинамических расходомеров являются их кон­структивная простота, надежность и удобство обслуживания. На сегод­няшний день их применяют в качестве индикаторов расхода загрязнен­ных жидкостей и газов.